KR20200045865A - 엔진의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치 그리고 이를 포함하는 해양구조물 - Google Patents

엔진의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치 그리고 이를 포함하는 해양구조물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 제공한다. 본 발명의 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치는 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 엔진에서 발생되는 폐열과 열교환하는 유기랭킨사이클(ORC); 및 상기 유기랭킨사이클의 동력을 통해 공기를 압축하는 공기 압축기를 포함할 수 있다.

Description

엔진의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치 그리고 이를 포함하는 해양구조물{ENERGY SAVING SYSTEM OF ENCUNE BY USING WASTE HEAT AND OCEAN CONSTRUCTION COMPRISING THE SAME}
본 발명은 선박 엔진의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박의 추진용 또는 발전용 엔진에서 연료를 연소하여 발생하는 열 에너지 중 대략 50% 정도는 각각 추진이나 발전에 사용되지만, 나머지는 거의 대부분 배기가스의 형태 또는 엔진 냉각수에 대한 열교환을 통한 냉각 등을 통해 외부로 배출되는 형태로 소비된다. 이와 같은 형태로 배출되는 열은 기관의 추진이나 발전 등에 유용한 형태로 전환되지 못하고 버려지는 열이라고 할 수 있으며, 따라서 이를 폐열이라고 일컫는다.
그러므로 외부로 배출되는 폐열중 일부라도 회수하여 이를 유용한 에너지로 재활용할 수 있다면 그 만큼 연료의 절약을 도모할 수 있으므로 선박에서 소모하는 전체 에너지를 절감하는 데 크게 기여할 수 있게 된다.
그 결과, 최근에는 외부로 배출되는 폐열중 일부를 회수함으로써 에너지를 절감할 수 있는 고효율의 선박 또는 친환경 선박에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 이미 선박 분야에서는 수년 전부터 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스를 직접 작동유체로 사용하는 가스터빈(또는 파워터빈이라고 함)과 고온의 배기가스의 열을 이용하여 생성된 증기의 일부를 작동유체로 사용하는 증기터빈 등을 추가적으로 설치하여 전력을 생산할 수 있도록 한 이른바 폐열회수장치(WHRS: Waste Heat Recovery System)를 적용하고 있다.
그러나 최근 들어 선박을 저속으로 운항하여 연료비의 절감을 요구하는 선주들이 많아지므로 인해 선박을 저속으로 운항할 경우, 엔진의 출력은 최대 출력의 30%~50% 정도만 사용하게 된다. 이렇게 낮은 부하로 엔진을 운전하면 배기가스의 온도가 낮기 때문에 고온의 열을 이용하는 기존의 폐열회수장치는 그 역할을 제대로 하지 못하게 된다. 즉, 종래 폐열회수장치의 가스터빈과 증기터빈은 그 특성상 섭씨 약 250도 정도 이상의 열원으로부터만 열을 회수하여 이를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있었으나, 그 이하 온도의 열은 여전히 활용하지 못하고 버려질 수밖에 없는 문제를 안고 있다. 부연하자면 종래 선박의 폐열회수장치는 버려지는 열 에너지 중 비교적 고온의 열을 회수하여 전력을 생산함으로 인해 엔진이 높은 부하로 운전될 때 많은 양의 열을 회수하여 전력을 생산할 수 있지만, 상기 엔진이 낮은 부하로 운전될 때에는 배기가스, 즉 폐열의 온도가 비교적 낮으므로 인해 전력 생산의 효용성이 떨어지게 된다.
본 발명의 일 과제는, 선박 엔진의 냉각계통에서 발생하는 폐열을 각각 회수하고 이를 활용하여 유기랭킨사이클을 구동시켜 에너지를 절감할 수 있는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 과제는, 엔진 재킷 쿨러(엔진 냉각수)의 폐열을 이용하여 유기랭킨사이클을 통해 컴팬더(Compander/냉매를 돌리는 설비)를 구동하고 이를 이용하여 선박에 필요한 압축공기를 만들어 내는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 과제는, 유기랭킨사이클을 통해 압축공기를 생성하고, 그 압축공기의 폐열을 이용하여 유기랭킨사이클의 냉매를 가열하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 엔진에서 발생되는 폐열과 열교환하는 유기랭킨사이클(ORC); 및 상기 유기랭킨사이클의 동력을 통해 공기를 압축하는 공기 압축기를 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치가 제공될 수 있다.
또한, 상기 공기 압축기를 통해 압축된 압축공기의 열을 상기 유기랭킨사이클에 활용하도록 하는 압축공기 열교환 사이클을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 유기랭킨사이클은 상기 냉각수의 폐열과의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기; 상기 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈; 상기 터빈에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기; 상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프; 및 상기 증발기로부터 상기 터빈과 상기 응축기 및 상기 펌프에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 제1순환라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축공기 열교환 사이클은 상기 압축공기와 열교환하는 쿨러 열교환부; 상기 제1순환라인의 유기냉매와 열교환하는 프리히팅 열교환부; 및 상기 쿨러 열교환부와 상기 프리히팅 열교환부를 통과하는 열매체의 순환경로를 형성하는 제2순환라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 프리히팅 열교환부는 상기 증발기로 유입되기 전의 유기냉매를 히팅하기 위해 상기 펌프와 상기 증발기 사이에 제공될 수 있다.
또한, 상기 프리히팅 열교환부는 상기 증발기를 통과한 유기냉매를 히팅하기 위해 상기 증발기와 상기 터빈 사이에 제공될 수 있다.
또한, 상기 유기랭킨사이클은 상기 증발기로 제공되는 유기냉매를 가열하는 보조 히터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 공기 압축기는 상기 터빈의 회전력에 의하여 공기를 압축할 수 있다.
또한, 상기 엔진의 냉각을 위한 냉각수 사이클을 더 포함하고; 상기 유기랭킨사이클은 상기 냉각수 사이클의 냉각수 폐열과 열교환할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 유기랭킨사이클은 엔진 냉각수의 폐열을 회수하여 압축공기를 생성하고, 그 압축공기의 폐열을 다시 이용하여 유기랭킨사이클의 가동 효율을 높여줌으로써 에너지 절감을 통한 경제적 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(10)는 냉각수 사이클(100), 유기랭킨사이클(Organic rankine cycle)(200), 공기 압축부(300) 및 압축공기 열교환 사이클(400)을 포함할 수 있다.
냉각수 사이클(100)은 선박의 엔진(20) 가동시에 엔진(20)을 냉각시키도록 엔진(20)에 냉각수를 순환시키는 것으로, 엔진에 설치되는 자켓워터(110)와, 엔진(20)을 통과한 냉각수를 냉각시키는 쿨러(120) 그리고 냉각수가 순환되는 냉각수 순환 라인(130)을 포함할 수 있다. 도시하지 않았지만, 냉각수 순환라인에는 쿨러(120)에서 냉각된 냉각수를 자켓워터(110)로 펌핑하는 냉각수 펌프(미도시됨)를 포함할 수 있다.
본 실시 예에서 엔진(20)은 주 추진용의 ME-GI 엔진, 2 행정 디젤엔진, 스팀 터빈 엔진뿐만 아니라 DFDE 등의 발전기 엔진 등과 같이 냉각수에 의해 냉각시킬 필요가 있는 모든 기계장치를 포함할 수 있다.
유기랭킨사이클(200)은 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 동작하는 터빈 사이클이다. 유기랭킨사이클(200)은 냉각수 사이클(100)을 통해 제공되는 엔진(20)의 냉각수가 가지는 열원을 매개로 유기냉매를 증발시킴으로써 증발된 유기냉매가 가지는 운동에너지를 이용하여 선박에서 필요로 하는 압축공기를 생산한다.
일 예로, 유기랭킨사이클(200)은 냉각수의 폐열과의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기(210), 증발기(210)에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈(220), 터빈(220)에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기(230), 응축기(230)에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 증발기(210)로 제공하는 펌프(240) 및 증발기(210)로부터 터빈(220)과 응축기(230) 및 펌프(240)에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 제1순환라인(250)을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 유기랭킨사이클(200)은 증발기(210)에서 냉각수의 열원로부터 열을 흡수하여 작동유체가 기화되면 사이클(200) 내의 압력이 급격히 증가하게 되고, 증가된 압력으로 인해 사이클 내부에 설치된 터빈(220)이 회전하게 되며, 이때 회전하는 터빈(220)의 회전 운동에너지는 공기 압축부(300)에서 공기를 압축하는 에너지로 사용될 수 있다. 그리고 터빈(220)을 구동하고 통과된 기체는 다시 응축기(230)로 유입, 외부 열원과의 열교환을 통해 열을 잃고 응축하게 되고, 이때 액화된 작동유체를 펌프(240)를 이용해 증발기(210)로 재순환시켜 지속적으로 에너지를 생산하게 된다.
공기 압축부(300)는 유기랭킨사이클의 동력을 통해 공기를 압축하는 공기 압축기(310) 및 압축공기가 저장되는 에어 버퍼 탱크(320)를 포함할 수 있다. 공기 압축기(310)는 터빈(220)의 회전 운동에너지에 의해 작동될 수 있다.
압축공기 열교환 사이클(400)은 공기 압축기를 통해 압축된 압축공기의 열을 유기랭킨사이클에 활용하도록 열교환하는 장치이다. 압축공기 열교환 사이클(400)은 고온의 압축공기와 열교환하는 쿨러 열교환부(410), 제1순환라인(250)의 유기냉매와 열교환하는 프리히팅 열교환부(420) 및 쿨러 열교환부(410)와 프리히팅 열교환부(420)를 통과하는 열매체의 순환경로를 형성하는 제2순환라인(430)을 포함할 수 있다.
프리히팅 열교환부(430)는 증발기(110)로 유입되기 전의 유기냉매를 히팅하기 위해 펌프(140)와 증발기(110) 사이에 제공될 수 있다.
상기와 같이, 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(10)는 유기랭킨사이클의 동력을 통해 압축공기를 생성하고, 생성된 압축공기의 열을 역으로 유기랭킨사이클에 활용하도록 함으로써 에너지 절감을 통한 경제적 효과를 극대화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(10a)는 냉각수 사이클(100a), 유기랭킨사이클(200a), 공기 압축부(300a) 및 압축공기 열교환 사이클(400a)을 포함하며, 이들은 도 1에 도시된 냉각수 사이클(100), 유기랭킨사이클(200), 공기 압축부(300) 및 압축공기 열교환 사이클(400)과 대체로 유사한 구성과 기능으로 제공되므로, 이하에서는 본 실시예와의 차이점을 위주로 변형예를 설명하기로 한다.
본 변형예에서, 압축공기 열교환 사이클(400a)의 프리히팅 열교환부(420)는 증발기를 통과한 유기냉매를 히팅하기 위해 증발기와 터빈 사이에 제공될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(10b)는 냉각수 사이클(100b), 유기랭킨사이클(200b) 및 공기 압축부(300b)를 포함하며, 이들은 도 1에 도시된 냉각수 사이클(100), 유기랭킨사이클(200) 및 공기 압축부(300)와 대체로 유사한 구성과 기능으로 제공되므로, 이하에서는 본 실시예와의 차이점을 위주로 변형예를 설명하기로 한다.
본 변형예에서, 유기랭킨사이클(200b)은 증발기(210)로 제공되는 유기냉매를 가열하는 보조 히터(290)를 더 포함할 수 있다. 보조 히터(290)는 유기랭킨사이클(200b)의 초기 구동시 사용되거나 또는 엔진의 저부하(low load)시 부족한 에너지를 보충하기 위해 제공될 수 있다. 그리고 보조 히터(290)는 유기랭킨사이클(200b)의 정상 조건시 작동하지 않을 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(10c)는 냉각수 사이클(100c), 유기랭킨사이클(200c), 공기 압축부(300c) 및 압축공기 열교환 사이클(400c)을 포함하며, 이들은 도 1에 도시된 냉각수 사이클(100), 유기랭킨사이클(200), 공기 압축부(300) 및 압축공기 열교환 사이클(400)과 대체로 유사한 구성과 기능으로 제공되므로, 이하에서는 본 실시예와의 차이점을 위주로 변형예를 설명하기로 한다.
본 변형예에서, 유기랭킨사이클(200c)은 증발기(210)로 제공되는 유기냉매를 가열하는 보조 히터(290)를 더 포함할 수 있다. 보조 히터(290)는 유기랭킨사이클(200c)의 초기 구동시 사용되거나 또는 엔진의 저부하(low load)시 부족한 에너지를 보충하기 위해 제공될 수 있다. 그리고 보조 히터(290)는 유기랭킨사이클(200b)의 정상 조건시 작동하지 않을 수 있다. 보조히터(290)는 펌프와 증발기 사이에 제공될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치를 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 변형예에 따른 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치(10d)는 냉각수 사이클(100d), 유기랭킨사이클(200d), 공기 압축부(300d) 및 압축공기 열교환 사이클(400d)을 포함하며, 이들은 도 4에 도시된 냉각수 사이클(100c), 유기랭킨사이클(200c), 공기 압축부(300c) 및 압축공기 열교환 사이클(400c)과 대체로 유사한 구성과 기능으로 제공되므로, 이하에서는 본 실시예와의 차이점을 위주로 변형예를 설명하기로 한다.
본 변형예에서, 압축공기 열교환 사이클(400d)의 프리히팅 열교환부(420)는 증발기를 통과한 유기냉매를 히팅하기 위해 증발기(410)와 터빈(420) 사이에 제공될 수 있다.
본 발명의 선박의 엔진 냉각수를 이용한 에너지 절감 장에 의하면 선박 또는 해양구조물에 설치되어 엔진의 자켓으로부터 토출되는 고온의 폐 냉각수를 열원으로 사용함으로써 압축공기를 생성할 수 있을 뿐만 아니라, 유기랭킨사이클의 효율을 높일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 냉각수 사이클 200 : 유기랭킨사이클
300 : 공기 압축부 400 : 압축공기 열교환 사이클

Claims (7)

  1. 물 보다 비등점이 낮은 유기냉매를 작동유체로 하여 엔진에서 발생되는 폐열과 열교환하는 유기랭킨사이클(ORC);
    상기 유기랭킨사이클의 동력을 통해 공기를 압축하는 공기 압축기; 및
    상기 공기 압축기를 통해 압축된 압축공기의 열을 상기 유기랭킨사이클에 활용하도록 하는 압축공기 열교환 사이클을 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클은
    상기 냉각수의 폐열과의 열교환을 통해 유기냉매를 증발시키는 증발기;
    상기 증발기에 의해 증발된 유기냉매를 매개로 회전하는 터빈;
    상기 터빈에서 나온 유기냉매를 냉각하여 액화시키는 응축기;
    상기 응축기에서 나온 응축된 유기냉매를 압축시켜 상기 증발기로 제공하는 펌프; 및
    상기 증발기로부터 상기 터빈과 상기 응축기 및 상기 펌프에 이르기까지 유기냉매의 순환경로를 형성하는 제1순환라인을 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 압축공기 열교환 사이클은
    상기 압축공기와 열교환하는 쿨러 열교환부;
    상기 제1순환라인의 유기냉매와 열교환하는 프리히팅 열교환부; 및
    상기 쿨러 열교환부와 상기 프리히팅 열교환부를 통과하는 열매체의 순환경로를 형성하는 제2순환라인을 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 프리히팅 열교환부는
    상기 증발기로 유입되기 전의 유기냉매를 히팅하기 위해 상기 펌프와 상기 증발기 사이에 제공되는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 프리히팅 열교환부는
    상기 증발기를 통과한 유기냉매를 히팅하기 위해 상기 증발기와 상기 터빈 사이에 제공되는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 유기랭킨사이클은
    상기 증발기로 제공되는 유기냉매를 가열하는 보조 히터를 더 포함하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 냉각을 위한 냉각수 사이클을 더 포함하고;
    상기 유기랭킨사이클은
    상기 냉각수 사이클의 냉각수 폐열과 열교환하는 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 장치.
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